На участок, расположенный на прямой линии, проведенной через источник и щель, электроны попадали с высокой интенсивностью. При смещении в обе стороны от этой центральной линии все еще можно было видеть попадания электронов, но число их уменьшалось по мере удаления от нее. В некоторых случаях электроны, пролетающие сквозь щель, отклонялись и их траектории изгибались в обе стороны от центральной линии. Пока ничего странного. Но потом я открыл вторую щель.
Если бы электроны вели себя как классические частицы, можно было бы ожидать увидеть напротив двух щелей два участка высокой интенсивности, в которые электроны попадали бы, пройдя через одну или другую щель. Но я их не увидел. Вместо этого начала возникать интерференционная картина, подобная той, которую видел Юнг в своем опыте со светом. Она лучше описывалась аналогией с волной, проходящей сквозь такие щели и создающей две новые волны, интерферирующие друг с другом.
Вспомним, однако, что опыт был поставлен так, чтобы в каждый момент через экран пролетал всего один электрон. То есть это не было волноподобным взаимодействием множества электронов. Один-единственный электрон вел себя как волна. Еще более непонятным был тот факт, что на пластине детектора обнаружились участки, до которых не долетал ни один электрон, хотя при одной открытой щели электроны могли попадать в эти точки. Что же происходило? Я открыл еще одну щель, создав тем самым несколько возможных путей к такой точке детектора, но и такие новые возможности не привели к попаданию в нее электронов.
По увеличении числа зарегистрированных электронов возникает интерференционная картина
Кант утверждал, что всякое знание начинается с чувств, но «переходит затем к рассудку и заканчивается в разуме, выше которого нет в нас ничего для обработки материала созерцаний»[55]. Как же ученым удалось выделить разумное зерно из странного поведения таких одиночных электронов, пролетающих сквозь экран?
Электрон-шизофреник
Как может электрон, проходящий сквозь одну из щелей, знать, открыта или закрыта вторая щель? Вторая щель находится на некотором расстоянии от той, через которую пролетает электрон. Не может же электрон разделиться надвое и пролететь через обе щели. Как это ни удивительно, нужно отбросить идею о том, что до обнаружения электрона он может находиться в какой-либо определенной точке пространства. Вместо этого электрон следует математически описывать волновой функцией, которая дает целый диапазон возможных положений. Такова была новая, революционная точка зрения, которую предложил в 1926 г. австрийский физик Эрвин Шредингер. Амплитуда такой волны содержит информацию о вероятности нахождения электрона в определенной области пространства на момент его наблюдения.
Можно спросить: волна чего? Что тут, собственно, колеблется? На самом деле речь идет не о физическом объекте, а скорее о волне амплитуды вероятности. Точно так же «волна преступности» – это не волна из преступников, а информация о вероятности совершения преступлений в определенном районе. Волна – это просто математическая функция, а математическая функция подобна машине или компьютеру: в нее вводят информацию, а она вычисляет и выдает ответ. В волновую функцию электрона вводят область пространства, а на выходе получают вероятность обнаружения электрона именно в этой области. Как ни странно, такую частицу следует считать вовсе не физическим объектом, а изменяющейся математической конструкцией. Ее называют волновой функцией, потому что многие черты функций, описывающих такие вероятности, совпадают с характеристиками классических волновых функций. Гребни и впадины содержат информацию о возможном местоположении электрона. Чем больше амплитуда волны, тем выше вероятность обнаружить электрон в данной области пространства.
Квантовая волна: чем выше волна, тем больше вероятность обнаружить электрон в данной точке пространства
Итак, поведение электрона описывает волна, и, когда такая волна сталкивается с экраном, в котором прорезаны две щели, взаимодействие с экраном изменяет ее. В результате получается новая волна, свойства которой и создают ту странную интерференционную картину, которую я наблюдаю на пластине детектора. Именно в момент обнаружения электрон решает наконец, в какой точке пластины он будет находиться. Волновая функция дает вероятность нахождения электрона в том или ином месте, но в момент обнаружения жребий оказывается брошен и вероятность сменяется определенностью. Волны больше не существует, и электрон снова выглядит частицей, попадающей в одну-единственную точку пластины детектора. Однако при каждом повторении этого опыта электрон может появляться в каких-нибудь других местах. Чем больше мы направляем на экран электронов, тем большая статистика, закодированная в волнах, становится видна по мере проявления картины распределения обнаруженных электронов. Но физика утверждает, что предсказать, в какой именно точке пластины в каждом отдельном случае будет обнаружен очередной электрон, невозможно.
Интересно было бы вернуться к исходному опыту Юнга со светом, но интерпретировать его в свете (прошу прощения за каламбур) сделанного Эйнштейном открытия частиц, составляющих свет, – фотонов. Уменьшая интенсивность источника света в опыте Юнга, можно дойти до такой низкой энергии излучения, которая будет соответствовать испусканию в экран с двойной щелью одиночных фотонов.
Как и электрон, фотон, попадающий на фотопластинку, оставляет на ней единственный точечный след, соответствующий его корпускулярной природе. А что происходит с интерференционной картиной Юнга? Нечто удивительное. Если продолжать обстреливать экран с двойной щелью одиночными фотонами, то через некоторое время накапливающиеся на фотопластинке светлые точки постепенно начинают образовывать все ту же интерференционную картину. То, что наблюдал Юнг, не было результатом падения на пластинку непрерывной волны – это была иллюзия. На самом деле картина состояла из миллиардов и миллиардов пикселей, каждый из которых соответствовал обнаружению одного фотона. Чтобы дать представление о числе фотонов, попадавших на пластинку, можно сказать, что стоваттная лампочка испускает около 1020 (то есть ста миллиардов миллиардов) фотонов в секунду.
Волновые характеристики света аналогичны свойствам электрона. Волна есть математический объект, определяющий вероятное местоположение фотона на момент его обнаружения. Волновая природа света означает, что он представляет собой не колеблющуюся волну, подобную волнам на воде, а волнообразную функцию, содержащую информацию о том, где можно будет найти фотон после его обнаружения. До того как он попадет на пластину детектора, он, как и электрон, по-видимому, проходит одновременно через обе щели и принимает решение о своем положении в пространстве только в момент наблюдения.
Именно эта концепция наблюдения делает квантовую физику такой странной. Пока я не потребую от детектора определить, где находится электрон, эту частицу следует считать вероятностно распределенной по пространству, причем распределение такой вероятности описывается математической функцией, обладающей волновыми свойствами. Воздействие двойной щели на эту математическую функцию изменяет ее таким образом, что электрон не может попасть в некоторые точки пластины детектора. Но, как только частица будет обнаружена, жребий будет брошен – и волне вероятности придется выбрать положение данной частицы.
Я помню то Рождество, когда я впервые прочитал об этой сумасшедшей истории, в которой что-то может оказаться сразу в нескольких местах. Помимо игрушек и сластей Дед Мороз оставил для меня под елкой книжку с забавным названием «Мистер Томпкинс в мягкой обложке»[56], написанную физиком Георгием Гамовым. В ней рассказывается история попыток мистера Томпкинса выучить физику на вечерних лекциях, которые читает известный профессор. Беда в том, что посреди лекции мистер Томпкинс неизменно засыпает.
В его снах микроскопический квантовый мир электронов увеличивается до макроскопических размеров, и мистер Томпкинс оказывается в квантовых джунглях, полных тигров и обезьян, которые одновременно находятся в нескольких разных местах. Когда на мистера Томпкинса нападает большая стая несколько размытых тигров, профессор, сопровождающий его в снах, выпускает по ним множество пуль. Одна из пуль попадает в цель, и стая тигров внезапно превращается в одного-единственного «наблюдаемого» тигра.
Помню, как меня очаровал этот фантастический мир и еще больше взволновало то обстоятельство, что он не был таким уж фантастическим. К тому времени я начал было сомневаться в существовании Деда Мороза, учитывая, что за одну ночь он должен посетить миллиард детей по всему миру, но эта книга восстановила мою веру. Конечно же Дед Мороз использует квантовую физику! Если его никто не наблюдает, он может одновременно находиться во множестве разных каминных труб.
